李家龍 羅騁華 周文皎

（1.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，昆明 650000；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

香麗高速公路是G0613 北京至拉薩聯(lián)絡(luò)線西寧至麗江公路的組成路段。沿線自然環(huán)境惡劣，跨越的地貌單元復(fù)雜，全線的橋隧比超過(guò)80%。選線階段盡可能使隧道避讓不良地質(zhì)體，由于在勘察階段對(duì)其地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不足等原因，有些隧道不可避免地要穿越滑坡體。建設(shè)過(guò)程中因施工擾動(dòng)等因素極易造成滑坡體蠕動(dòng)變形，引發(fā)隧道變形和破壞，威脅公路建設(shè)者的安全，影響公路安全順利通車。

很多研究學(xué)者已經(jīng)對(duì)隧道穿越不良地質(zhì)體的作用機(jī)理和處治對(duì)策開(kāi)展了相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)［1］初步研究了因開(kāi)挖隧道引起斜坡變形滑動(dòng)的“隧道滑坡”病害產(chǎn)生的地質(zhì)條件和誘發(fā)因素；文獻(xiàn)［2］對(duì)滑坡與隧道的作用關(guān)系、作用形式和隧道不同位置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［3］研究了蠕動(dòng)型滑坡的形成原因和產(chǎn)生隧道變形開(kāi)裂的作用機(jī)理，并構(gòu)建了5種滑坡-隧道病害地質(zhì)模型；文獻(xiàn)［4-7］基于滑坡-隧道體系開(kāi)展了理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，研究了不同穿越形式下隧道的變形特征；文獻(xiàn)［8-10］針對(duì)滑坡體作用下隧道變形特征和控制技術(shù)開(kāi)展研究和分析。

綜上，不同穿越形式的隧道-滑坡問(wèn)題所導(dǎo)致的變形和受力特征均不同，采用的控制技術(shù)也有所不同。在香麗高速公路隧道-滑坡問(wèn)題中最為常見(jiàn)的是隧道平行穿越滑坡（隧道軸向與滑坡方向夾角為0°～20°）。當(dāng)隧道平行穿越滑坡體時(shí)，隧道開(kāi)挖可能誘發(fā)滑坡體復(fù)活及蠕動(dòng)變形，使隧道產(chǎn)生變形和破壞，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響工程建設(shè)的正常開(kāi)展，甚至是全線的順利通車。因此，本文以香麗高速公路一隧道-滑坡病害為例，對(duì)這類常見(jiàn)的隧道-滑坡病害的受力特征、變形機(jī)制進(jìn)行研究和分析，并提出適宜的控制技術(shù)，填補(bǔ)在云南高原地區(qū)隧道-滑坡病害研究的空白，保證香麗高速公路的順利通車。

1 工程地質(zhì)概況

圖1 隧道進(jìn)口仰坡衛(wèi)星圖

該隧道（圖1）位于青藏高原南東延橫斷山脈中段，屬高中山區(qū)，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，巖體破碎松弛深度大。隧道進(jìn)口斜坡位于走向?yàn)?62°的山脊北側(cè)，自然斜坡傾向330°，斜坡坡度約31°，坡底為松坡河，走向253°，隧道以NW28°（332°）穿過(guò)自然坡體（近平行）。斜坡為上覆第四系堆積體，主要為含礫粉質(zhì)黏土和碎石土。下覆三疊系中統(tǒng)（T1）組強(qiáng)-中風(fēng)化灰色、灰褐色板巖，斜坡體植被發(fā)育，地下水較豐富。

該隧道為分幅分離式隧道（右幅K63+970—K65+210；左幅ZK63+970—ZK65+228.96），隧道全長(zhǎng)1 260 m，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖。隧道采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，最初開(kāi)挖時(shí)隧道進(jìn)口斜坡上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有裂縫、錯(cuò)臺(tái)等，隨后在隧道進(jìn)口段40～60 m 內(nèi)左、右洞均發(fā)現(xiàn)二次襯砌開(kāi)裂情況，這些跡象表明隧道進(jìn)口斜坡已發(fā)生形變，危及隧道安全。

2 滑坡體特征

在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)斜坡體和隧道產(chǎn)生了較大變形和破壞。根據(jù)地表后緣裂縫的分布位置和隧道裂縫擴(kuò)展情況可大致推測(cè)目前滑坡體的范圍（圖2），長(zhǎng)約300 m，寬約110 m，主要變形方向?yàn)镹W6°。滑坡體與隧道軸向近平行，滑坡體后緣位于隧道進(jìn)口上部，前緣至坡腳河谷地帶，左側(cè)界有明顯的向坡腳延伸趨勢(shì)，右側(cè)界暫未完全貫通。

圖2 隧道進(jìn)口端滑坡體平面示意

2.1 地表變形特征

2016 年10 月，隧道右洞正上方160 m 處的斜坡上，發(fā)現(xiàn)有一展布方向?yàn)?59°的裂縫，長(zhǎng)10 m，寬30 cm，深40 cm。裂縫對(duì)應(yīng)隧道內(nèi)的里程大致為K64+030。2018 年雨季過(guò)后，裂縫不斷地順坡向下延伸，并逐步產(chǎn)生了溜坍。另外，在隧道右洞正上方70 m 的村道有大貫通的裂縫，裂縫展布方向?yàn)?59°，長(zhǎng)20 m，寬20 cm，深60 cm。同時(shí)，變形體的左右側(cè)界不斷地沿順坡向下延伸，并逐步產(chǎn)生了變形，形成溜坍，并砸毀了洞頂布設(shè)的部分監(jiān)測(cè)設(shè)備。

施工單位在隧道進(jìn)口上方埋置了18 個(gè)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。經(jīng)監(jiān)測(cè)可知，x，y，z3 個(gè)方向位移變化趨勢(shì)基本一致，即隨著時(shí)間的增加位移近似呈線性增加。x方向的位移朝正北方向增加，10 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位移最大，約62 mm；y方向的位移朝正東方向增加，13號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位移最大，約24 mm；z方向的位移以沉降變形為主，9 號(hào)和15 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的沉降最大，達(dá)到24 mm。該邊坡應(yīng)處于勻速變形階段，變形較為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在隧道左側(cè)進(jìn)口仰坡區(qū)域。這18 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形方向?yàn)镹W1°～NW10°，總體變形方向約為NW6°。

圖3 地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

從地表裂縫展布和地表位移監(jiān)測(cè)的結(jié)果可知，隧道開(kāi)挖擾動(dòng)引起了地表較為強(qiáng)烈的變形，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形反映滑坡體處于不斷蠕動(dòng)變形的過(guò)程中，可能會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。

2.2 坡體深部變形特征

除地表外，滑坡體內(nèi)也存在一定的變形特征。深部位移監(jiān)測(cè)手段是一種常規(guī)有效的判斷滑坡變形特征的手段。在隧道進(jìn)口埋設(shè)了2 個(gè)深度為62 m 的深部位移監(jiān)測(cè)孔CX-1 和CX-2，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍?，位于隧道洞口上方的CX-1 監(jiān)測(cè)孔在32～38 m 內(nèi)發(fā)生了向河側(cè)方向的突變；位于隧道洞口下方的CX-2孔在44～48 m 內(nèi)變形逐漸加大，并且在20 m 處變形也有明顯的變化。

圖4 不同監(jiān)測(cè)孔的深部位移

2.3 隧道變形特征

2017年3月初，在隧道進(jìn)口右幅襯砌有開(kāi)裂現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了貫穿裂縫和斜向裂縫。根據(jù)隧道內(nèi)裂縫展布的情況，隧道二次襯砌出現(xiàn)的主要是斜向裂縫和環(huán)向裂縫，未發(fā)現(xiàn)縱向裂縫，且裂縫多分布在隧道邊墻至拱頂。仰拱有少量裂紋，裂紋寬度多小于1 mm，少量裂紋寬度大于1 mm。根據(jù)隧道內(nèi)裂縫嚴(yán)重程度分為裂縫特別嚴(yán)重區(qū)和一般嚴(yán)重區(qū)。特別嚴(yán)重區(qū)主要 以 分 布 在 K64+020—K64+040 段 、YK64+020—YK64+035 段寬為0.1～4.4 mm 不等的環(huán)向裂縫和斜向裂縫為主。在YK64+025 處地面有明顯的錯(cuò)臺(tái)，小里程方向下錯(cuò)約1 cm，YK64+025 左右邊墻均有斜向裂縫展布，裂縫傾角約為45°～60°，逐漸延伸至YK64+034 拱頂處，并形成貫通的環(huán)向裂縫，縫寬約15 mm。一般嚴(yán)重區(qū)主要以分布在K64+020—K64+040 段、YK64+020—YK64+035 段兩側(cè)各 20 m 范圍內(nèi)，以寬為0.1～3.0 mm的斜向裂縫為主，沒(méi)有環(huán)向裂縫展布。

3 病害原因

1）斜坡巖體結(jié)構(gòu)松散破碎

該隧道進(jìn)口穿越的斜坡體在開(kāi)挖前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的變形特征，坡體中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)馬刀樹、陡坎、裂縫等滑坡跡象，但坡體的巖土體結(jié)構(gòu)特征為后續(xù)產(chǎn)生變形提供了先天條件?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡體主要是由強(qiáng)風(fēng)化破碎的夾泥炭質(zhì)板巖組成，這種巖體自身強(qiáng)度不高，雨水后容易軟化。巖體裂隙較發(fā)育，有利于地表水下滲。雖然現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的產(chǎn)狀反傾，但存在一順傾結(jié)構(gòu)面315°∠29°，滑坡體的穩(wěn)定受這組結(jié)構(gòu)面控制。

2）隧道開(kāi)挖擾動(dòng)

斜坡體和隧道的變形破壞主要是隧道開(kāi)挖后形成的，因此隧道開(kāi)挖是引起坡體變形和隧道開(kāi)裂的主要誘發(fā)因素之一。隧道開(kāi)挖擾動(dòng)使得巖體變得松散破碎，裂隙張開(kāi)，坡體發(fā)生多次溜坍、坍塌病害，從而引起了坡體應(yīng)力的松弛。較大的開(kāi)挖臨空面直接削弱了斜坡體的抗滑力，在長(zhǎng)期降雨以及地下水作用下坡體逐漸失穩(wěn)并變形破壞。

3）降雨及地下水?dāng)_動(dòng)

在長(zhǎng)期降雨作用下，雨水短時(shí)間內(nèi)通過(guò)松散的表層強(qiáng)風(fēng)化板巖滲入坡體內(nèi)，并與地下水一起向洞室方向的匯集，軟化順傾結(jié)構(gòu)面，降低其力學(xué)參數(shù)，急劇降低了斜坡穩(wěn)定性，誘發(fā)上部坡體產(chǎn)生蠕動(dòng)變形，引發(fā)地表沉降并向河側(cè)蠕動(dòng)，并最終造成坡體和隧道變形。雖然坡腳處為河流，但由于上流修建了水電站，其河流下切作用并不明顯，因此不考慮河流下切作用。

4 病害變形特征

隧道平行穿越斜坡不良地質(zhì)體時(shí)，主要有3 個(gè)沿洞軸方向的外力作用在隧道結(jié)構(gòu)上（圖5）：隧道底部傳來(lái)的巖土抗力K、隧道頂部傳來(lái)的上覆巖土壓力P和滑坡推力F。此段隧道多處于隧道進(jìn)口處，可以將其看作懸臂梁結(jié)構(gòu)。因隧道與進(jìn)口端的橋梁或路基相接，因此可以看作梁的一端鉸支，另一端為滑面穿過(guò)位置，隧道內(nèi)位于穩(wěn)定巖層中的部分視為固定端，不發(fā)生位移變化。在P和F（可視為均布荷載）的作用下，滑坡體方量和推力較大時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的軸向拉力或剪切應(yīng)變大于其屈服值，應(yīng)力集中明顯。隧道頂部受拉，向隧道內(nèi)彎曲，底部受壓，在隧道受拉與受壓之間形成拉壓中性區(qū)，因剪切變形使隧道在滑面附近變形最為嚴(yán)重。隧道頂部先出現(xiàn)剪切裂縫，隨后向邊墻擴(kuò)展，產(chǎn)生沿滑面方向的斜向裂縫，最后裂縫貫通到隧道底部，導(dǎo)致隧道整體破壞。

圖5 平行穿越隧道的受力示意

該隧道進(jìn)口端約70 m 均處于滑坡體范圍，但主要變形只發(fā)生在隧道進(jìn)口端40～70 m，即滑面穿越的位置附近。在左右洞的該位置主要有斜向的裂縫及環(huán)向貫通裂縫產(chǎn)生，裂縫展布的位置與滑面穿過(guò)的位置近平行，并發(fā)展至隧道底部，產(chǎn)生1 cm 明顯的錯(cuò)臺(tái)。結(jié)合隧道地表裂縫展布、隧道內(nèi)裂縫分布和深部位移監(jiān)測(cè)曲線可知，從隧道洞口上方推測(cè)的變形體后緣位置至橋臺(tái)下部的CX-2監(jiān)測(cè)孔的斜坡范圍內(nèi)，在斜坡地表、隧道內(nèi)部及斜坡內(nèi)部均有不同程度的變形。根據(jù)這些變形部位大致可以推測(cè)，斜坡變形體范圍內(nèi)可能存在2條蠕動(dòng)變形面（圖6），分別為淺層蠕動(dòng)變形面和深層蠕動(dòng)變形面。

圖6 推測(cè)的淺層和深層蠕動(dòng)變形面

5 隧道穩(wěn)定性分析

為了研究隧道平行穿越滑坡的穩(wěn)定性變化，利用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了隧道平行穿越滑坡體的三維模型，隧道采用與現(xiàn)場(chǎng)相同的三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法，開(kāi)挖步距為10 m，模擬隧道長(zhǎng)為260 m，模型x方向（斜坡走向）寬300 m，y方向（隧道軸向）長(zhǎng)500 m，z方向高420 m。模型四周及底部施加約束，共完成28 371個(gè)節(jié)點(diǎn)，118 426個(gè)單元。斜坡體的巖土體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 隧道三維模型

表1 巖土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)

隧道穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?，自然條件下斜坡體未開(kāi)挖隧道的安全系數(shù)為1.13，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；隧道開(kāi)挖后，斜坡體安全系數(shù)降為1.01，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明開(kāi)挖隧道后滑坡體將處于臨界失穩(wěn)，使滑坡體復(fù)活并變形加劇，在滑坡推力的剪切作用下，隧道產(chǎn)生裂損；在長(zhǎng)期暴雨和地震作用下，隧道的安全系數(shù)將逐步下降至0.99，處于失穩(wěn)狀態(tài)，滑坡體下滑，隧道將產(chǎn)生較大變形并破壞。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與滑坡實(shí)際變形情況基本吻合。

表2 隧道穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

綜上所述，此時(shí)的斜坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時(shí)間推移斜坡不良地質(zhì)體穩(wěn)定性有可能進(jìn)一步削弱，從而引起滑坡體加速變形，對(duì)隧道的施工和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。因此，亟需對(duì)隧道采取有效的控制措施。

6 隧道控制技術(shù)研究

對(duì)于隧道-滑坡問(wèn)題的控制研究，要根據(jù)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件，查清滑坡形成的主要原因、滑坡與隧道的空間位置關(guān)系，提出針對(duì)隧道、滑坡體系的綜合治理措施。研究學(xué)者提出了削方減載+排水措施+抗滑樁加固的方案，這種處治方案既能保護(hù)隧道也能治理滑坡。但是該隧道存在多層蠕動(dòng)面，變形較大，坡體結(jié)構(gòu)松散，滑坡推力較大，在施工抗滑樁時(shí)很容易削弱滑體抗滑段，存在較大的危險(xiǎn)性，并且工程量較大，造價(jià)較高，不適宜采用。因此，提出了施工便捷，擾動(dòng)較小的鋼花管多次分段控制注漿+削方減載+排水措施的綜合控制措施，在斜坡體和隧道內(nèi)分別進(jìn)行加固，減少了施工對(duì)斜坡體的擾動(dòng)影響，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。施工方案如下：

1）加固防護(hù)措施

隧道進(jìn)口段自洞口上方進(jìn)行刷方處理，刷方坡形為：各級(jí)坡高均為10 m，坡率1∶1，第1 級(jí)平臺(tái)寬14 m，第2～3級(jí)平臺(tái)寬8 m，第4～9級(jí)平臺(tái)寬2 m。

2）加固工程措施

在大橋第1 個(gè)橋墩（K63+940）山側(cè)斜坡上自下而上布設(shè)9 排錨索，縱向間距2.5 m，水平間距3 m，水平加固范圍110 m，錨索錨固段為12 m，錨索穿過(guò)深層蠕動(dòng)面以下至少12 m。

隧道進(jìn)口端洞口上方5 m 以上各級(jí)坡自下而上設(shè)3 排錨索，水平間距3 m，采用5φ15.2 預(yù)應(yīng)力錨索框格梁防護(hù)，錨索錨固段為12 m，錨索深入深層蠕動(dòng)面以下不少于10 m?？蚋窳贺Q向截面尺寸0.4 m×0.5 m，橫向截面尺寸0.4 m×0.4 m。采用C25 混凝土現(xiàn)澆，水平方向平面加固范圍110 m，框格內(nèi)植草防護(hù)。

在隧道進(jìn)口端至洞內(nèi)80 m（K63+970—K64+050）范圍內(nèi)的地面設(shè)置豎向加筋鋼花管，橫向每排4根，橫向間距2 m，縱向間距2.5 m。鋼花管穿過(guò)深層蠕動(dòng)面不小于10 m，且鋼花管最短長(zhǎng)度不得少于12 m。鋼花管內(nèi)套有3根直徑為32 mm的鋼筋。

3）截水溝設(shè)置

斜坡最高一級(jí)錨索框格梁坡頂平臺(tái)設(shè)截水溝，加固范圍外側(cè)穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置漿砌截排水吊溝，防止坡面水流入變形體。

7 結(jié)論

1）香麗高速公路一隧道平行穿越滑坡體，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，因施工和降雨擾動(dòng)觸發(fā)了滑坡體蠕動(dòng)變形，帶動(dòng)隧道變形破壞，在地表和隧道內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了不同程度的裂縫和變形?；麦w可能存在2條蠕動(dòng)變形面，分別為淺層蠕動(dòng)變形面和深層蠕動(dòng)變形面，變形方向?yàn)镹W6°。

2）隧道平行穿越滑坡體時(shí)，隧道頂部受拉，向隧道內(nèi)彎曲，底部受壓，在隧道受拉與受壓之間形成拉壓中性區(qū)，因剪切變形使隧道在滑面附近變形最為嚴(yán)重。隧道頂部先出現(xiàn)剪切裂縫，隨后向邊墻擴(kuò)展，產(chǎn)生沿滑面方向的斜向裂縫，最后裂縫貫通到隧道底部，導(dǎo)致隧道整體破壞。

針對(duì)該隧道地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)施工狀況，提出了施工便捷，擾動(dòng)較小的削方減載+排水措施+鋼花管多次分段控制注漿的方案，在斜坡體和隧道內(nèi)分別進(jìn)行鋼花管加固，減少了施工對(duì)斜坡體的擾動(dòng)影響，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。